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在圓柱殼上開(kāi)大孔直接焊接接管是壓力容器設(shè)計(jì)的一種常見(jiàn)結(jié)構(gòu)，其應(yīng)力計(jì)算和強(qiáng)度評(píng)定有不少報(bào)道，但對(duì)于在圓筒上翻邊預(yù)開(kāi)孔焊接支管且開(kāi)孔率大于0.5的應(yīng)力強(qiáng)度分析和評(píng)定的文獻(xiàn)報(bào)道尚不多見(jiàn)。在高壓斷路器殼體的設(shè)計(jì)中，考慮殼體內(nèi)壁表面狀況直接影響，設(shè)備內(nèi)部電場(chǎng)的均勻及為了消除尖角放電等現(xiàn)象，采用了開(kāi)孔比為0.9的這種結(jié)構(gòu)。殼體在使用中充裝絕緣介質(zhì)六氟化硫氣體起到滅弧作用，壓力為0.3~0.8MP。該類產(chǎn)品符合《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》第2款，為規(guī)定的第一類壓力容器。由于這種大開(kāi)孔殼體的強(qiáng)度計(jì)算超出了目前所查到規(guī)范的限制，尚無(wú)完全適用的設(shè)計(jì)規(guī)范可循，因而設(shè)備的設(shè)計(jì)在很大程度上依賴于工程經(jīng)驗(yàn)。首先用試驗(yàn)方法進(jìn)行了實(shí)際模型的應(yīng)力測(cè)試，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)殼體強(qiáng)度進(jìn)行了有限元分析模擬，得到了接管關(guān)鍵部位詳盡的應(yīng)力場(chǎng)和最大應(yīng)力發(fā)生部位，并依據(jù)分析設(shè)計(jì)原理，對(duì)有限元結(jié)果進(jìn)行了線性化處理，按照J(rèn)B4732《鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)定，為該設(shè)備的安全運(yùn)行提供了必要的理論依據(jù)。
試驗(yàn)地點(diǎn)在某高壓電器公司，應(yīng)變片測(cè)試的位置如圖所示。由于殼體的對(duì)稱性，故測(cè)點(diǎn)主要布置在試件的一側(cè)。沿3個(gè)截面布片，縱向?qū)ΨQ平面截面，相貫線截面，聯(lián)向?qū)ΨQ平面截面，并在應(yīng)力大的根部邊緣多布片。對(duì)于已知主應(yīng)力的測(cè)點(diǎn)，采用0-90加二向應(yīng)變片。對(duì)于主應(yīng)力方向不清楚點(diǎn)，采用三向應(yīng)變，總共有26個(gè)測(cè)點(diǎn)根部，測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變片布置見(jiàn)圖。為了消除應(yīng)變的滯后現(xiàn)象，在應(yīng)力測(cè)試前將壓力從0緩慢升壓至1.2MPa二次，再卸壓，同時(shí)將應(yīng)變儀調(diào)零。然后將試驗(yàn)壓力從0緩慢增加到最高測(cè)試壓力，在升壓過(guò)程中記錄下從0.0.0.5.1.0.1.5.20.25.3.0.3.5.4.0MPa(目的為找到殼體出現(xiàn)初始屈服壓力的值)的各級(jí)應(yīng)變值。取各測(cè)點(diǎn)各次實(shí)測(cè)應(yīng)變值，用相應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變公式，進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，得到各測(cè)點(diǎn)在不同壓力下的Von Mises應(yīng)力。由計(jì)算結(jié)果得知，各點(diǎn)應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)基本符合線性關(guān)系。因最高工作壓力為0.8MP，所以取對(duì)壓力容器規(guī)定的1.25倍最高工作壓力值1MPa的數(shù)據(jù)和有限元模型進(jìn)行比較。
斷路器殼體設(shè)計(jì)壓力為0.88MPa，筒體與接管的材料均為A5052合金管無(wú)在設(shè)計(jì)溫度下材料的彈性模量E=195GP，泊松比0.3，設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度48MPa。對(duì)于斷路器殼體的變截面結(jié)構(gòu)，完全按照實(shí)際尺寸建立有限元模型，需要大量的建模時(shí)間，在工程使用中具有一定困難。因此在考慮制造工藝和實(shí)際結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用了一個(gè)折中簡(jiǎn)化，壁厚尺寸分別采用相應(yīng)的公稱值和實(shí)際測(cè)量的平均壁厚。考慮到殼體結(jié)構(gòu)和載荷的對(duì)稱性，采用四分之一模型進(jìn)行有限元分析。有限元程序采用ANSYS軟件，單元類型選用三維8節(jié)點(diǎn)等參元(Brick8node45)。采用映射法自動(dòng)生成網(wǎng)格，保證單元有較好的形態(tài)，網(wǎng)格劃分沿厚度方向共分兩層，沿主、支管方向也劃分較多層，并在主、支管肩部和相貫線等高應(yīng)力區(qū)采用加密網(wǎng)格，以保證高應(yīng)力區(qū)有較高計(jì)算精度。整個(gè)殼體共劃分345葉單元，7920個(gè)節(jié)點(diǎn)。有限元模型如圖所示。在圖所示的有限元模型中，對(duì)大徑截面A約束x方向位移，對(duì)小徑圓筒截面B約束z方向位移，在對(duì)稱面C上施加x方向的對(duì)稱約束，在對(duì)稱面D和E上施加Y方向的對(duì)稱約束。在殼體內(nèi)表面分別施加0.88.1.00.200.3.00.4.00MPa的內(nèi)壓，用上述計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算。
將1MPa內(nèi)壓下縱向外截面、橫向外截面的試驗(yàn)應(yīng)力值與有限元計(jì)算結(jié)果比較列于圖，由圖可見(jiàn)，有限元結(jié)果與試驗(yàn)值較為吻合，應(yīng)力分布形態(tài)基本一致，最大誤差不超過(guò)12。由此表明，外壁應(yīng)力最大點(diǎn)均發(fā)生在腹部區(qū)，這種情況與實(shí)際相符，證明有限元計(jì)算模型是正確的，可以根據(jù)此模型進(jìn)行全面的應(yīng)力分布研究。
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